圈口囫ｌ ．ｉ 加速度在摩托车疲劳耐久试验中的应用研究 李加庆 朱晓明 （上海机动车检测中心） 金锋 （ＭＴＳ工业系统有限公司） 摘要：在摩托车前后轴头安装振动加速度传感器，拾取路面传递到车架的加速度信号，即路谱，并 以此信号为目标，再对该目标信号进行必要的编辑和处理，通过计算传递函数和迭代获得台架驱动信 号，从而进行耐久试验。结果表明，加速度信号稳定可靠，能准确反映路面对车架的激励，易于采集和 处理，适合作为路谱信号。 关键词：摩托车疲劳耐久加速度 Ａｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｆＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆａｔｉｇｕｅ ａｎｄ Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ Ｔｅｓｔｓ Ｌｉ Ｊｉａｑｉｎｇ Ｚｈｕ Ｘｉａｏｍｉｎｇ（Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍｏｔｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ） Ｊｉｎ Ｆｅｎｇ（ＭＴＳ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｘ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｔ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ａｎｄ ｒｅａｒ ｓｐｉｎｄｌｅ ｎｏｓｅｓ，ｐｉｃｋ ｕｐ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ，ｔｈａｔ ｉｓ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｒｏａｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｉｓ ａｓ ｔｈｅ ａｉｍ ａｎｄ ｅｄｉｔ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅ ａｉｍ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｂａｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ ｉｓ ｄｏｎｅ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｌｌｅｃｔ ｔｈｏｓｅ ｗｈｉｃｈ ｔａｋｅｓ ａｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｉｇｎａ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ Ｆａｔｉｇｕｅ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ 随着摩托车保有量的持续增加，在给人们的生活带来 便利的同时，也带来了诸多的社会问题，如频繁的交通事 故，日益严重的尾气污染和噪声污染，社会治安恶化等。 耐久性或抗疲劳特性是车辆的一个重要性能指标，耐久性 差的车辆出现故障的概率更大。交通事故中，由车辆的疲 劳破坏所引起的事故占有很高的比例。由于道路状况差， 而且疲劳破坏具有突然性，一旦出现，往往会造成非常严 重的后果。为此，开展摩托车疲劳耐久试验是非常重要和 必要的，也越来越受到广大学者的关注【】。］。 １ 基于台架的疲劳耐久试验原理 疲劳耐久试验是摩托车产品开发阶段的一个重要环 节，但基于道路的疲劳耐久试验非常耗时，试验成本也非 常高，因此，利用台架进行疲劳耐久试验是一种趋势。所 谓台架试验，就是利用传感器和数据采集设备记录车辆在 实际道路上行驶时的响应信号；再通过计算传递函数反算 出路面对车辆的输入信号；然后利用该输入信号来驱动台 架模拟路面进行试验。本质上说，该输入信号反应了路面 果，只有通过大量的实践和数据分析，才能研究出符合市 ３结束语 本文介绍了如何进行市场道路行驶载荷谱测量，及与 场预期的方案。 目前，国内许多汽车企业都采用试车场进行产品的耐 久性试验，这样可大大缩短开发周期，适应竞争日益激烈 的市场需求，摩托车企业也应当大力开展此类试验研究， 才能更好地提高产品开发水平和质量。皿 （收稿日期２０１１－０５—１７） 试车场之间的相关性分析，通过短周期（或里程）的摩托 车耐久性试验，实现了疲劳寿命预估的方法。 摩托车耐久性试验是一项看似简单实则复杂的项目， 有时并不能通过简单的模拟计算或几次测试就可以得出结 ４０摩托车技术２０１１．１０ 强ｉ 一 曩 ； 圈口团的凹凸不平对车辆的激励，因此也称为路谱。相对于道路 励试件，进行疲劳耐久性试验。 试验（大部分企业在试验场进行道路试验），台架试验具 实际上，台架试验最具吸引力的优点是可以利用它来 有非常明显的优势，二者对比如表１所示。 表１试验场与台架试验特点对比 类别 试验场试验 台架试验 试验控制 人工 自动控制 试验时间 不连续 ７天×２４ ｈ连续进行 试验环境 环境是变化的 环境可控，重复性好 试验结果 不易察觉 破坏情况容易被发现 试验范围 整车 整车、子系统、零部件 场景模拟 实际试验场景 可将多种恶劣场景叠加起来同步测试 加速试验 不能压缩 可以实现加速试验 由于道路试验需要驾驶员，受天气状况影响，试验时 间往往很难掌控，而试验环境也常常是变化的，试验结果 的观察也存在诸多不便；相对而言，台架试验易控制、更 快速、重复性好。耐久试验的发展趋势是尽量采用台架试 验，减少试验场试验。另外，摩托车的安全性相对于汽车 更差，更应采用台架进行疲劳耐久试验。 目前，国内摩托车专用的疲劳耐久试验设施非常少， 至今还没有专用的试车场，至于试验台架也仅有上海机动 车检测中心的一套四通道道路模拟系统和重庆工学院的 一套两通道道路模拟系统；疲劳耐久试验台架主要有美国 ＭＴＳ公司的远程参数控制（ＲＰＣ）道路模拟系统和德国 Ｓｃｈｅｎｃｋ公司的迭代传递函数补偿（ＩＴＦＣ）道路模拟系统， 其中，前者占有大部分市场份额。下面，以ＭＴＳ公司的 ＲＰＣ道路模拟系统为例，说明道路模拟的过程。 ａ）路谱采集：采集一段摩托车在实际道路上行驶时 的原始响应信号。 ｂ）路谱编辑：对原始响应信号进行分析和适当的编 辑，删除对损伤影响不大的部分信号，得到室内道路模拟 试验所需的期望响应信号。 Ｃ）计算传递函数：将摩托车安装在试验台上，用白 噪声信号通过电液伺服控制系统驱动机械液压装置，对试 验系统加载，并采集摩托车上相应位置处的响应信号，计 算系统的传递函数。 ｄ）生成初始驱动信号：根据频响函数和期望响应信 号，计算并生成道路模拟试验的初始驱动信号。 ｅ）模拟迭代：由于整个试验系统是非线性的，而上 述传递函数矩阵的计算是基于系统为线性的前提，因此， 通过迭代逐渐修正初始驱动信号，从而得到一定模拟精度 的最终驱动信号。 ｆ）道路模拟试验：用上一步得到的驱动信号反复激 进行加速试验，就是对路谱信号进行编辑，删除对损伤影 响不大的部分信号，进行时间压缩，实现加速，也称加速 台架试验。 ２加速度信号的应用 从上述台架试验步骤看到，路谱（响应信号）的采集 非常重要。路谱采集、计算频响函数、模拟迭代等过程中， 都包含响应信号的采集，选择何种信号作为路谱是一个值 得探讨的问题。客观上，要求该信号稳定可靠，能准确反 映路面对摩托车的激励，易于采集且受干扰小。相对于应 变片，加速度计更便于使用。汽车领域也有采用测量轮采 集路谱 ］，但该设备非常昂贵，限制了应用范围。 根据上述试验原理，选择１辆摩托车作为样车开展疲 劳耐久试验，探讨加速度应用到台架试验的可行性和准确 性。在摩托车的前、后轴轴头，发动机吊装螺孔３个部位 粘贴振动加速度传感器，按照摩托车的典型工况在试车场 强化路上开展试验，采集加速度响应信号。试验之前，对 传感器和设备进行了标定，并保证前后轮胎气压一致。 ２．１时域分析 对采集的信号进行了时域分析，结果如图１所示。由 图１看到，一共有６个加速度信号，从上至下依次是前轴 部位垂直方向（Ｆｖ）、后轴部位垂直方向（ＲＶ）、前轴部 位纵向（ＦＬ）、后轴部位纵向（ＲＬ）、发动机吊装螺孔部 位垂直方向（Ｅｖ）和发动机吊装螺孔部位纵向（ＥＬ）。横 轴表示时间（单位：Ｓ），信号长度为４８０ Ｓ，含试车场１圈 的长度；纵轴表示加速度幅值（单位：ｇ，１ ｇ＝９．８ｍ／ｓ ）。 从幅值上基本可分为２组：１）ＦＶ、ＲＶ、ＦＬ幅值较大， 幅值范围为 ２５～２５ ｇ；２）ＲＬ、ＥＶ、ＥＬ幅值较小，幅 值范围为一５～５ ｇ。从幅值的变化趋势看，各传感器工 作正常，信号的变化趋势一致。 对比ＦＶ和ＲＶ，二者非常近似，吻合非常好，说明 样车轮胎刚性一致，样车整体刚性也较好，前后轴感受到 的振动几乎完全一致，很好地反映了路面的不平度，因此， 二者均适合于作为迭代的目标信号。ＥＶ与Ｆｖ、ＲＶ相比， 显得非常小，前者是后者的１１５，从波形上看，他们的形 状基本一致，ＥＶ明显含有不同于ＦＶ、ＲＶ的频率成分， 说明发动机部位振动仍然反映了路面激励，但路面激励经 过减震器得到了较大衰减，发动机部位的振动非常小，也 说明发动机自身产生的振动相对于路面激励非常小，基本 可以忽略，因此，发动机部位的信号因为包含发动机自身 ２０１１．１０摩托车技术４１ 圜口固 ． 一：…；一 ：Ⅲ圭 ｊｉ ”… … Ｉ… ｉ 一 －ｌ■ ‘ … ｒ壶 ～ 。≯ ｊ。 ｊ－■ ～－－Ｉ ～ Ｉ 一……一ｉ … ＿。。 … １＇ｌ １－ｌ “ 一－－ｌ — 、 曩 一…～… ｒ…ｈ３，０ ＷＩ｝ ｌ＾ ｅｌ… ｌｏｎ …二 ……… …一：一 ． ｌ霹 ２ 盛 …一 ：上…ｌ 一Ｉ ｊ…砰 矗 ： －¨ 迥 ｌⅡ田 ｌ川 广 十～ ￡ “ Ｌ０ ｔｔ …ｌ ｔＩ… ｎ … ｊ ， ｔ ｔ … …一 孵 ｆ… ～ ３ ｃ ……～ ｑ ，孵 ～一……“▲ 一 、 ， ｛ ｛ｕ 一呷 …＿▲ ｒ ‘ ： ｊ …ｐ ｊ叶～ 上 ｛～一一…～；．．～一 ｛一－‘ …一～… … …… ４～…一 … … 一 … ， ： … 时间，Ｓ 图１ 时域信号对比图 振动信号，信噪比不高，不适合于迭代，只能作为参考信号。 ＦＬ和Ｆｖ，二者比较近似，摩托车前轮通过倾斜的前减振 与车身相连，ＦＬ、Ｆｖ可以看做路面激励作用到前减振的 ２个分量，均反映了路面的不平度；ＦＬ中看不出其他频率 成分，说明ＦＬ受发动机影响较小。对比ＦＬ和ＲＬ，二者 振动分量受发动机影响较小，因此，如果选择ＲＬ作为迭 代目标信号，首先需要滤掉发动机引起的振动。 ２．２频域分析 对采集的信号进行了频域分析，分析结果如图２所 示。图２为图１各信号对应的自功率谱，横坐标为频率（单 位：Ｈｚ），纵轴为幅值（ＲＭＳ，单位：ｇ）。左侧图从上至 下依次为Ｆｖ、ＲＶ、ＥＶ，右侧图从上至下依次为ＦＬ、ＲＬ、 差异很大，说明前轴与后轴的振动特性差异较大。ＲＬ与 ＥＬ，二者很相似，说明二者关联性较大，事实上，二者之 间通过平又刚性连接，因此，ＦＬ和ＥＬ一样，振动来自于 路面激励和发动机振动，由于平叉可以转动，来自路面的 激励主要被分解到后轴垂向，纵向振动分量较小，而垂向 ＥＬ。从幅值上来看，可以分为２组：ＦＶ、ＲＶ、ＦＬ幅值 较大，范围为０～０．５ ｇ；ＲＬ、ＥＶ、ＥＬ幅值较小，范围为 ０～０．１ ｇ。与时域分析结果一致，路面激励引起的振动幅 ’ｊ二工二回 ＿』＝ ｌ ｊ 一一铡 潼ｌ ｂＤ ■ 坐ｌ到 ’ 董 ，：ａ ‘１ｏ ・ｌｉ‘ ｛ ’…ｐ…ｃ ｌ §ｔ ｛ｔｈ…ｎｍ・２’ ｝｛ 丽辅嫩磷罔厘羼 ｌ ０．｛Ｈ １ 一～ ・｝ ｌ｝ ～ ＊ ～ １ 芝二、 ｌ＿＿ … ＿ 。 ～ 晶 …一 一 Ｌ … ～ 盎 ， 南 频率，Ｈｚ 频率，Ｈｚ 霪 ｌ譬ｌｑＩ ｌ ｔ ｌ¨ ｛，０ｌ 。Ｄ ，ｌ ＾ｕ ４Ｐ ００７９．｝托一ｔ酶 ∞２ ｊ．４ ：０ Ｏｓ∞ｌ …ｎ：” 图霞 ｜再疆璇Ｉ ｌ置 ｌ ｌ・｛・｛丑ｌ丑ｌ 藏 麓 一： ｌｌ － － ～ ～ —…” 盎 ・ 粤 出 品 。 ■ ＿ 。频率，Ｈｚ 一———— ～一频率，Ｈｚ 一０ ｌ重ｌ黛ｌ Ｉ ｌ： ｌ，０Ｉ土ｊ二ｌ 』！ｌ±ｌ删． ＾ ｔｏ抽腑＃∞ｏ伸． ｌｆ＿ｃ矗。ｃｒ。矾： ’ ８ ：。．ｏ６‘ｎ， ｎ：Ｌ３９ 裳勘机璧自如速壤 鼍埋ｊ嗣ｌ ｔ ！ｈｌ ｏｌ 瞧ｕｌ 】皇ｌ±ｌ ｊ蕊 一一＾啦 船 ｏ０∞９．￥ －ｃｈ￥‘蝣２ ：２， ・ ：Ｏ．ｏ４２ｔＩ啦 ｎ： ＇ 发动穰孰鼹那照厦 ∞ ｎ ；幽ｌ … ｛ ｌ ｔ。：１… ’ １＿ ｛～ 氨 ～ ～ 。 ｌ Ⅲ 一 频率，Ｈｚ 二 － ： ： 一 √ 女 Ｊ 一 ’Ｖ ： 频率，Ｈｚ ０ 图２频域分析结果 ４２摩托车技术２０１１．１０ ？ ｊ ？ 一 ｊ ？ ｌｌｊｌ Ｉｉ３；】ＩＩ囫值较大，发动机激励引起的振动幅值较小。从频率上也可 以分为２组：Ｆｖ、ＲＶ、ＥＶ、ＦＬ的频率成分主要集中在 较大，主要体现在５０～１００Ｈｚ范围内。 ２．３统计分析 ０～４０Ｈｚ；ＲＬ、ＥＬ的频率分布包括两部分：０～４０Ｈｚ， ５０～１００ Ｈｚ。根据时域分析结果，ＦＶ、ＲＶ的主要振动源 为路面激励，ＲＬ、ＥＬ包含路面激励和发动机振动两部分。 因此，路面激励的频率成分为０～４０Ｈｚ，发动机振动频 率成分为５０～ｌＯＯＨｚ。对比ＦＶ和ＲＶ，二者频谱形状近似； ＥＶ的频谱与之相比，也比较接近，说明整车的刚性较好， 前后轴感受的振动基本一致。比较ＲＬ和ＥＬ，可以明显发 现，发动机的振动经平叉纵向传递到后轴部位。因此，发 动机振动对垂向加速度贡献很小，对后轴纵向加速度贡献 为了考察加速度信号的稳定性，以Ｆｖ信号为例，选 择１０个循环（包含２名驾驶员的测试结果），进行统计值 对比，对比结果如表２所示。从表中看到，最大值、最小 值、峰峰值／２、方差的变动幅度都不大于１０％，均方根值 的变化幅度也不超过５％。因此，可以认为加速度比较稳定， 波动幅度属于工程上可以接受的范围，能够准确反映路面 的不平度。之所以会有波动，是因为不同驾驶员的驾驶习 惯可能会有所变化，造成车速有一定变化，即使是同一名 驾驶员，车速存在一些波动也很正常。 表２加速度信号统计值对比 循环序号 １ ２ 最大值 １８．７９ ｌ９．３４ 最小值 —１３．５９ —１３．７５ 均值 Ｏ＿３ｌ Ｏ．２９ 均方根值 ２．９０ ２．８ｌ 方差 ８３３ ７．８Ｏ 峰峰值／２ ｌ６．１９ ｌ６．５５ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ２２．６２ ２２．８２ ｌ８．９２ ２２．９３ ２０．８８ ２２．６６ 一ｌ５．１３ —１３．４９ —１３．６７ —１２．６６ —１３．８３ —１４．４２ Ｏ－２７ Ｏ．１３ Ｏ．Ｏ５ ０．ＯＯ 一Ｏ．Ｏ２ 一Ｏ １５ ２．９３ ２．８４ ２ ６５ ２ ７７ ２ ８ｌ ２．７８ ８．５Ｏ ８．０７ ７．０４ ７．６７ ７．８９ ７．７０ １８．８７ ｌ８．１６ ｌ６．２９ １７．７９ ｌ７．３６ ｌ８．５４ ９ １０ ２０＿２１ ２０．５６ ——１４．３４ —１４．９２ 一Ｏ．Ｏ８ 一Ｏ Ｏ８ ２．７４ ２．６９ ７．４９ ７．２１ １７．２７ ｌ７．７４ ３结论 根据时域、频域以及统计分析结果，可以得出如下的 结论。 这些结论为开展摩托车疲劳耐久台架试验奠定了基 础，也有些学者采用应变片或测量轮测取迭代目标信号， 而这些信号与加速度信号相比准确性如何，有待今后继续 研究。口 ａ）加速度信号能够准确表征路面对车辆的激励，前 后轴头的加速度信号适合于作为迭代目标信号，而发动机 上的振动信号不适合。 ｂ）发动机的激励对前后轴头的加速度信号影响较小， 但后轴轴头纵向加速度除外；发动机激励与路面激励的频 参考文献 ［１】毛星子．基于道路模拟的摩托车车架可靠性分析．重庆工 学院硕士学位论文．２００８ ［２］乔莉．摩托车车架系统疲劳寿命研究．重庆大学硕士学位 论文，２００６ 谱分布不同，可以通过滤波处理消除发动机激励的影响， 生成仅含有路面激励的迭代目标信号。该例中，路面激励 产生的振动频率分布为０～４０Ｈｚ，而４０Ｈｚ以上频率成分 为发动机导致的振动。 ［３］朱才朝，张伟敏，乔莉等．摩托车车架系统疲劳强度分析 及寿命预估．汽车工程，２００７，２９（１０）：９００～９０４ ［４］彭为．典型地区道路与ＥＶＰ道路载荷当量关系及轿车后 桥寿命数字化预测研究．同济大学博士论文，２００４ ［５］ＩＧＥＬ ｍｂＨ．ＩＧＥＬ ＷＦＴ－Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｖｅｒ３．３ １９９９ （收稿日期２０１１－０８．１５） Ｃ）加速度信号稳定可靠，波动幅度在可接受的工程 范围之内。此外，还发现不同的驾驶员，驾驶习惯不同、 行驶速度不同，加速度信号的统计值存在一些波动。采用 路谱时可以考虑对不同驾驶员的路谱按照一定比例进行 混合。 ２０１１．１０摩托车技术４３